BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA

En las aplicaciones geotérmicas de muy baja temperatura, se pretende extraer el calor del subsuelo terrestre, para poder calentar un fluido de alta compresibilidad y bajo punto de vaporización (circuito secundario), al objeto de transmitir ese calor a una instalación en invierno, invirtiendo el proceso en verano. Pero sólo es posible extraer calor si la temperatura de entrada geotérmica es superior a la de retorno del circuito secundario, la cual viene determinada por el tipo de instalación de calefacción y por la temperatura exterior.
Así mismo, en las bombas de calor hasta aquí descritas, el ambiente exterior es el existente en la atmósfera. Sin embargo, se abren otras posibilidades, en las que juega un papel importante la aportación de la energía geotérmica, según se puede apreciar en la Fig.

Diferentes posibilidades de foco frío para bomba de calor.

En las condiciones habituales, suele aceptarse una diferencia mínima de unos 4-6 ºC entre la temperatura media del fluido caliente y la temperatura media del frío, y un salto térmico máximo de 10 ºC entre la temperatura de entrada y la de salida del agua que aprovecha la energía geotérmica de muy baja temperatura. En la mayoría de las aplicaciones comerciales, los caudales utilizados son los siguientes:
• Caudal del lado del agua geotérmica, entre 0,018 y 0,045 l/s kWt
• Caudal del lado del agua caliente, entre 0,045 y 0,054 l/s kWt
lo cual equivale a un salto de temperatura de entre 13,3 y 5,3 ºC para el agua geotérmica y entre 5,3 y 4,4 ºC para el agua caliente.
La bomba de calor geotérmica permite soslayar las limitaciones expuestas más arriba y explotar recursos geotérmicos de rentabilidad, en principio, dudosa, debido a su baja temperatura, e incluso posibilita explotar recursos a temperatura menor que la de demanda.
Concurren para ello dos factores importantes que favorecen la implantación de este tipo de instalaciones: por un lado, en el mercado ya existe una amplia gama de bombas de calor de distintos tipos y dentro de una amplia serie de potencias, de precio asequible y que no precisan de una complicada instalación ni de un personal excesivamente cualificado para su instalación y mantenimiento; y, por otro, la existencia de amplias zonas potencialmente utilizables, mucho más abundantes y extensas que las de baja y media temperatura.
La bomba de calor geotérmica, GHP (Geothermal Heat Pump), tiene su aplicación fundamental en instalaciones domésticas y comerciales, para agua caliente sanitaria y calefacción, de pequeña y mediana potencia. Con ella se soslayan los inconvenientes citados al hablar de las bombas de calor con intercambio final con la atmósfera. En las GHP, los inconvenientes de formación de escarcha en el condensador desaparecen y, de forma intuitiva, se aprecia que el rendimiento mejorará al pedir calor de un medio menos frío (el terreno) que en las bombas de calor convencionales (el aire atmosférico) en invierno, y viceversa en verano. En efecto, es más fácil ceder calor al terreno, a una temperatura casi constante con la estación, que al aire caliente de la atmósfera veraniega.
En la Tabla 4.1, pueden observarse unos datos correspondientes al año 2004, que muestran la implantación de este sistema de bombas de calor geotérmicas en diversos países.

Como se puede apreciar en dicha tabla, el número de máquinas instaladas es considerable, más de 800.000 unidades, solamente en los países referenciados como más importantes en el uso de la energía geotérmica de muy baja temperatura. Es interesante hacer notarque, así como la potencia térmica media instalada por bomba es de poco más de 9 kWt en el conjunto, en Alemania y Suiza se supera la media de potencia por bomba con creces, lo cual indica un alto porcentaje de bombas de calor para instalaciones superiores al ámbito unifamiliar. En cambio, en EE.UU. la media no alcanza en absoluto la del conjunto mundial, lo cual hace pensar en una mayoría de pequeñasbombas de uso en pequeñas viviendas unifamiliares.
Otro dato reseñable a partir de la citada Tabla 4.1 es la producción por habitante del conjunto de energía térmica derivada de las bombas de calor, con un máximo espectacular para Suecia, mientras en EE.UU., con doble número de bombas de calor geotérmicas, se encuentran prácticamente al final de la clasificación en producción por habitante. Esto responde a la realidad de que no se precisa la misma energía térmica doméstica en el clima medio de los EE.UU. que la que precisa una gran mayoría de habitantes en Suecia.
Rendimiento de una bomba de calor geotérmica
Para formular las ecuaciones que reflejen el rendimiento de la máquina, se considerará formada por: un compresor que aspira un gas a baja presión y lo comprime hasta una presión elevada; un condensador, donde el gas se enfría y sale en forma de líquido saturado o subenfriado; una válvula de expansión, de donde sale en forma de mezcla líquido-vapor; y un evaporador, donde la fase líquida pasa a vapor; el vapor saturado o ligeramente sobrecalentado es absorbido al compresor, completándose el ciclo.
El balance de energía alrededor de la máquina permite formular:
Pe + PE= PC + Pp (1)
donde
Pe = Potencia eléctrica consumida en la operación.
PE = Potencia frigorífica (calor extraído del exterior).
PC = Potencia térmica (calor cedido al exterior).
Pp = Potencia perdida, debida a rozamientos e imperfecciones.
La eficiencia de la máquina se expresa por medio de un coeficiente internacionalmente aceptado, conocido como COP (Coeficient of Performance), y que se define como el cociente entre la energía útil obtenida de la máquina y la energía de todo tipo que dicha máquina ha consumido en el proceso. Si se considera la máquina como productora de frío, determinaremos su eficiencia frigorífica, mientras que si la consideramos productora de calor, se obtendrá una eficiencia térmica.
COP frigorífico COPf = PE/Pe
COP térmico COPt = PC/Pe
y utilizando la ecuación (1) para relacionar ambos, se obtendrá que:
COPf = COPt +1 - Pp/Pe
El límite máximo teórico de la eficiencia viene dado por la que tendría una máquina ideal que funcionaría siguiendo un ciclo termodinámico de Carnot, según las siguientes expresiones:
COP frigorífico (máximo) COPf*= (TC-TE)/TE
COP térmico (máximo) COPt*= (TC-TE)/TC
y una relación entre ambos de COPt*= COPf*+1
donde
TC = Temperatura del medio caliente.
TE = Temperatura del medio frío.
Como se puede apreciar en la relación anterior, el COPt* siempre superará en un punto, en el peor de los casos (máximos) al COPf*, y en los casos habituales, según la ecuación (2), la eficiencia en utilización térmica superará en más de un punto a la eficiencia en utilización de refrigeración. Ambos estarán más próximos cuanto menores sean las pérdidas de energía en el funcionamiento.
En los catálogos de los fabricantes figura el COP nominal de la máquina funcionando en régimen estacionario y trabajando entre unas temperaturas determinadas del fluido frío y del fluido caliente. Hay que tener en cuenta que, fuera de las condiciones nominales especificadas, la eficiencia podría ser muy distinta y que su valor medio estacional será menor, puesto que, durante muchas horas a lo largo del año, funcionará a carga parcial.
Del rendimiento que se obtiene en las prestaciones más extendidas de las GPH’s, se pueden desprender las siguientes consideraciones:
• Régimen de calefacción. El COPt depende, en gran medida, de la temperatura del recurso geotérmico pero, en líneas generales, su valor suele estar comprendido entre 3 y 4, pudiendo llegar a 5.
Para la gran mayoría de los equipos, la temperatura máxima de agua caliente es de 50 ºC, con un salto térmico entre ida y retorno de 5 ºC. Si la calefacción es por generación de aire caliente y difusión por convección, la temperatura de suministro suele estar comprendida entre 32 y 40 ºC.
• Régimen de refrigeración. El valor del COPf suele situarse entre 2,5 y 3,5 y, en cuanto a las condiciones de producción de frío, suelen distinguirse dos posibilidades más extendidas: máquina de expansión directa, en la que el aire del recinto a climatizar pasa directamente a través del evaporador; y máquina enfriadora de agua, en la cual el evaporador enfría agua que luego se distribuye a los climatizadores locales.
En el primer caso, las condiciones nominales del aire interior suelen ser de 25 ºC y alrededor del 50% de humedad relativa. Por el contrario, las condiciones nominales de las enfriadoras de agua suelen ser del orden de 7 ºC para la temperatura de impulsión y 5 ºC de salto térmico entre impulsión y retorno.